KR101628942B1 - 배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치에 관한 것으로서, 차량용 배터리 관리 시스템에 있어서, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈의 상기 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링 및 제어하는 제어 회로; 상기 배터리 셀 각각과 일단이 연결되고 타단이 접지와 연결되는 커패시터; 상기 배터리 셀 각각에서 분기된 라인마다 연결되는 다이오드; 상기 배터리 셀 각각과 일단이 연결되고 타단이 스위치를 통해 접지와 각각 연결되는 전류 소스; 상기 전류 소스의 일단과 연결된 라인의 전압을 측정하는 측정부; 및 상기 측정된 라인의 전압을 기초로 하여 상기 배터리 셀 각각과 연결된 라인의 단선을 진단하는 진단부를 포함한다.

Description

배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING DISCONNECTION OF WIRE IN BATTERY MANAGEMENT SYSTEM}
본 명세서는 전기 에너지를 이용하는 장치에 사용될 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 관한 것으로, 특히 배터리 셀들과 연결된 라인의 단선을 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 고전압의 배터리를 사용하는 산업기기, 가정기기 및 자동차 등 다양한 장치가 등장하고 있으며 특히 자동차 기술분야에서는 고전압 배터리 사용이 더욱 활발해지고 있다.
가솔린이나 중유 등의 화석연료를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해발생을 줄이기 위하여, 전기자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
전기자동차(EV; electric Vehicle)는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차를 말한다. 즉, 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜서 자동차를 구동시키는 전기자동차는 가솔린 자동차보다 먼저 개발되었으나, 배터리의 무거운 중량, 배터리 용량의 한계 및 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 상용화되지 못하다가 최근 에너지 및 환경 문제가 심각해지면서 1990년대부터 실용화를 위한 연구가 본격화되었다.
한편, 최근 배터리 기술이 비약적으로 발전하면서 전기자동차 및 화석연료와 전기에너지를 적응적으로 사용하는 하이브리드 자동차(HEV)가 상용화되고 있다. HEV는 가솔린과 전기를 함께 동력원으로 사용하기 때문에 연비 개선 및 배기가스 저감 측면에서 긍정적인 평가를 받고 있으며, 완전한 전기 자동차로 진화하는 중간 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
이러한 전기 에너지를 이용하는 HEV 및 EV 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.
전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리의 성능이 자동차의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 각 전지 셀의 전압, 전체 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 전지 셀의 충방전을 효율적으로 관리할 뿐만 아니라, 각 전지 셀을 센싱하는 셀 센싱 IC의 상태를 모니터링하여 해당 셀의 안정적인 컨트롤이 가능한 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이 절실히 요구되는 실정이다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템을 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 1을 참조하면, 차량용 배터리 관리 시스템은 복수의 배터리 셀들이 직렬로 연결된 배터리 팩(10) 및 배터리 제어회로(30)를 포함한다.
배터리 팩(10)은 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(C1, C2, C3)을 포함하며, 배터리 셀들(C1, C2, C3)에 충전된 고전압 직류 전력을 모터 등의 차량 전자 장치에 공급한다.
배터리 제어회로(30)는 배터리 팩(10)과 연결되어 배터리 팩(10)의 충방전 상태를 모니터링하고, 배터리 팩(10)의 충방전 동작을 제어한다. 즉, 배터리 팩(10)의 배터리 셀(C1, C2, C3)들은 제어회로(30)와 각각 연결되어 제어회로(30)에서 각 셀의 충방전 상태를 모니터링하고 셀의 충방전 동작을 수행한다.
이때, 셀들 간을 연결하는 와이어가 끊어져서 오픈(open)이 발생되거나 또는 내부 저항이 높아지는 경우 배터리 팩(10) 내부로 흘러야 하는 충전 전류가 제어회로(30) 내부로 유입되어 제어회로(30)의 소손이 발생되는 것을 방지하기 위한 보호저항 R이 도시된 바와 같이 각셀과 제어회로(30) 사이에 구성된다. 그리고 배터리 셀(C1, C2, C3)로부터 제어회로(30)로 입력되는 신호의 노이즈를 제거하기 위한 필터 역할을 하는 RC 회로가 배터리 팩(10)과 제어회로(30) 사이에 구성된다.
또한, 배터리 팩(10)과 제어회로(30) 사이에는 셀간의 충전 전압의 밸런싱을 유지하기 위한 밸런싱 저항 r과 스위치 SW가 각 셀 별로 각각 병렬 연결되어 제어회로(30)의 제어 신호에 따라서 각 셀별로 셀 밸런싱을 위한 방전이 가능하다.
그러나 종래기술에 따르면 도시된 바와 같이, 각 셀과 제어회로(30) 사이에 형성된 와이어의 단선 D2을 확인할 수 있는 커버리지 K가 매우 작으며, 가장 최하위 셀 CV3의 음극과 GND를 연결하는 와이어의 단선 D1은 검출이 불가능하다는 문제점이 있다.
본 명세서의 실시 예는 배터리 관리 시스템에서 배터리 셀과 제어기 간에 연결된 와이어의 단선을 보다 효율적으로 검출할 수 있는, 배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 명세서의 실시 예는 단선된 라인과 인접한 배터리 셀의 전압이 주변 셀의 전압에 따라 측정값이 바뀌게 되므로 전압 판단 조건이 특정 전압(예컨대, 5V)으로 설정되면 단선 검출의 오류를 방지하도록, 단선 판단 시 전압 판단 조건을 변경함으로써, 배터리 시스템에서 단선된 라인을 정확히 진단할 수 있는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 명세서의 실시 예는 가장 최하위 배터리 셀의 음극 단자와 연결된 접지 라인의 단선 유무를 검출할 수 있는 단선 진단 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서의 제1 측면에 따르면, 차량용 배터리 관리 시스템에 있어서, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈의 상기 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링 및 제어하는 제어 회로; 상기 배터리 셀 각각과 일단이 연결되고 타단이 접지와 연결되는 커패시터; 상기 배터리 셀 각각에서 분기된 라인마다 연결되는 다이오드; 상기 배터리 셀 각각과 일단이 연결되고 타단이 스위치를 통해 접지와 각각 연결되는 전류 소스; 상기 전류 소스의 일단과 연결된 라인의 전압을 측정하는 측정부; 및 상기 측정된 라인의 전압을 기초로 하여 상기 배터리 셀 각각과 연결된 라인의 단선을 진단하는 진단부를 포함하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치가 제공될 수 있다.
상기 장치는, 상기 제어 회로에 전원을 공급하고, 상기 배터리 모듈의 최상위 배터리 셀에서 분기된 라인 및 상기 다이오드의 최상위 다이오드와 연결되는 전원부를 더 포함할 수 있다.
상기 측정부는 상기 전류 소스를 기설정된 시간 동안 스위치를 통해 턴온 및 턴오프시키고, 상기 턴오프된 전류 소스의 일단과 연결된 측정 라인의 전압을 이용하여 상기 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압을 측정할 수 있다.
상기 진단부는 상기 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압과 기설정된 전압 조건을 비교하여 상기 턴오프된 전류 소스와 연결된 해당 라인의 단선을 진단할 수 있다.
상기 진단부는 상기 측정 라인의 하위 셀의 전압에서 상기 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압(Forward voltage)을 감산한 전압을 상기 측정 라인의 전압으로 산출할 수 있다.
상기 진단부는 기설정된 전압 조건에 따라 상기 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압이 각각 제로 스케일(Zero scale) 및 기설정된 풀 스케일(Full scale)이면, 상기 측정 라인이 단선된 것으로 진단할 수 있다.
상기 진단부는 상기 측정 라인의 하위 셀의 전압, 상위 셀의 전압 및 상기 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압에 따라 상기 기설정된 전압 조건을 변경할 수 있다.
상기 진단부는 상기 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압이 제로 스케일(Zero scale)이고, 상기 측정된 측정 라인의 상위 셀의 전압이 상기 측정 라인의 하위 셀의 전압, 상위 셀의 전압 및 상기 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압을 가산한 전압이면, 상기 측정 라인이 단선된 것으로 진단할 수 있다.
상기 장치는, 최하위 배터리 셀의 음극 단자와 연결된 최하위 커패시터; 및 기설정된 전압을 가지는 전원과 일단이 연결되고, 상기 최하위 배터리 셀과 스위치를 통해 타단이 연결되는 최하위 전류 소스를 더 포함하고, 상기 진단부는 상기 측정 라인이 최하위 라인인 경우 상기 측정된 최하위 배터리 셀의 전압이 상기 기설정된 전압이면, 상기 최하위 라인이 단선된 것으로 진단할 수 있다.
한편, 본 명세서의 제2 측면에 따르면, 복수의 배터리 셀을 포함한 배터리 모듈에서 상기 배터리 셀 각각과 일단이 연결된 커패시터와, 상기 배터리 셀 각각에서 분기된 라인마다 연결되는 다이오드를 포함하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 방법에 있어서, 상기 배터리 셀 각각과 일단이 연결되고 타단이 스위치를 통해 접지와 각각 연결되는 전류 소스를 기설정된 시간 동안 스위치를 통해 턴온 및 턴오프시키는 단계; 상기 턴오프된 전류 소스의 일단과 연결된 측정 라인의 전압을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 측정 라인의 전압을 기초로 하여 상기 배터리 셀 각각과 연결된 라인의 단선을 진단하는 단계를 포함하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 방법이 제공될 수 있다.
상기 측정 라인의 전압을 측정하는 단계는 상기 턴오프된 전류 소스의 일단과 연결된 측정 라인의 전압을 이용하여 상기 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압을 측정할 수 있다.
상기 단선을 진단하는 단계는 상기 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압과 기설정된 전압 조건을 비교하여 상기 턴오프된 전류 소스와 연결된 해당 라인의 단선을 진단할 수 있다.
상기 단선을 진단하는 단계는 상기 측정 라인의 하위 셀의 전압에서 상기 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압을 감산한 전압을 상기 측정 라인의 전압으로 산출할 수 있다.
상기 단선을 진단하는 단계는 기설정된 전압 조건에 따라 상기 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압이 각각 제로 스케일 및 기설정된 풀 스케일이면, 상기 측정 라인이 단선된 것으로 진단할 수 있다.
상기 단선을 진단하는 단계는 상기 측정 라인의 하위 셀의 전압, 상위 셀의 전압 및 상기 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압에 따라 상기 기설정된 전압 조건을 변경할 수 있다.
상기 단선을 진단하는 단계는 상기 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압이 제로 스케일(Zero scale)이고, 상기 측정된 측정 라인의 상위 셀의 전압이 상기 측정 라인의 하위 셀의 전압, 상위 셀의 전압 및 상기 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압을 가산한 전압이면, 상기 측정 라인이 단선된 것으로 진단할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템이 최하위 배터리 셀의 음극 단자와 연결된 최하위 커패시터; 및 기설정된 전압을 가지는 전원과 일단이 연결되고, 상기 최하위 배터리 셀과 스위치를 통해 타단이 연결되는 최하위 전류 소스를 더 포함하고, 상기 단선을 진단하는 단계는 상기 측정 라인이 최하위 라인인 경우 상기 측정된 최하위 배터리 셀의 전압이 상기 기설정된 전압이면, 상기 최하위 라인이 단선된 것으로 진단할 수 있다.
본 명세서의 실시 예는 배터리 관리 시스템에서 배터리 셀과 제어기 간에 연결된 와이어의 단선을 보다 효율적으로 검출할 수 있다.
또한, 본 명세서의 실시 예는 단선된 라인과 인접한 배터리 셀의 전압이 주변 셀의 전압에 따라 측정값이 바뀌게 되므로 전압 판단 조건이 특정 전압(예컨대, 5V)으로 설정되면 단선 검출의 오류를 방지하도록, 단선 판단 시 전압 판단 조건을 변경함으로써, 배터리 시스템에서 단선된 라인을 정확히 진단할 수 있다.
또한, 본 명세서의 실시 예는 가장 최하위 배터리 셀의 음극 단자와 연결된 접지 라인의 단선 유무를 검출할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템을 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 명세서의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치의 회로도이다.
도 3은 본 명세서의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템에서 단선 발생시 단선을 검출하는 회로를 설명하기 위한 참고도이다.
도 4는 본 명세서의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 단선 진단 방법에 대한 흐름도이다.
이하, 본 명세서의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
실시예를 설명함에 있어서 본 명세서가 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 명세서와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 명세서의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치 및 방법에 대해 설명한다.
도 2는 본 명세서의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치의 회로도이다.
도 2에 도시된, 배터리 관리 시스템(200)의 단선 진단 장치는 다수의 배터리 셀을 포함한 배터리 모듈, 제어 회로(210), 전원부(220) 및 다이오드(230), 전류 소스(240), 커패시터(250), 측정부(270) 및 진단부(280)를 포함한다. 여기서, 단선 진단 장치는 최하위 커패시터(C0) 및 기설정된 전압을 가지는 전원(260)과 일단이 연결된 최하위 전류 소스(AC)를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 명세서의 일실시예에 따른 단선 진단 장치의 구체적인 구성 및 동작을 설명하기로 한다.
배터리 모듈은 직렬 연결된 다수의 배터리 셀을 포함한다. 여기서, 본 명세서의 일 실시 예에서는 설명의 편의상 배터리 셀을 제1 내지 제5 배터리 셀로 총 5개의 경우로 한정하여 도시하였다. 그러나 배터리 셀의 개수는 이보다 적거나 많을 수 있으며, 경우에 따라서는 다수의 배터리 셀을 포함하는 다수의 배터리 모듈로 구성될 수도 있다. 즉, 본 명세서의 일 실시 예에 대한 설명을 위해, 단순히 특정 개수의 배터리 셀로 이루어진 배터리 모듈로 한정되지 않는다. 또한, 배터리 모듈이 아닌 적어도 하나의 배터리 모듈로 이루어진 배터리 팩에서도 동일한 단선 진단 장치가 적용될 수 있다.
여기서, 배터리 팩은 일반적인 차량의 저전압 배터리에 비해 고전압을 출력하는 배터리 팩이다. 고전압 배터리는 엔진과 모터를 통해 주행하기 위한 구동수단으로 하이브리드 자동차나 전기자동차에 이용될 수 있다. 이러한 배터리 팩의 양단에는 모터가 필요에 따라 부하로서 연결되거나, 얼터네이터 등이 필요에 따라 충전기로서 연결될 수 있다.
제어 회로(210)는 배터리 모듈과 연결되어 각 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링한다. 또한, 제어 회로(210)는 모니터링된 충방전 상태에 따라 필요시 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.
각 배터리 셀의 양극(+) 및 음극(-) 단자는 각각 라인을 통해 제어 회로(210)와 연결된다. 여기서, 제어 회로(210)와 연결된 라인은 다수의 배터리 셀 각각의 충방전 상태를 모니터링하기 위한 측정 라인일 수 있다.
각 라인에는 커패시터(250)가 연결되어 있다. 즉, 커패시터(250)는 제1 내지 제5 커패시터(C1, C2, C3, C4, C5)를 포함하고, 배터리 모듈의 배터리 셀 각각과 제어 회로(210) 사이의 라인에 병렬로 연결되어 있다. 커패시터(C1, C2, C3, C4, C5)는 다수의 배터리 셀 각각에서 인가된 전압에 의해 충전된다. 전류 소스(240)가 각각 턴온되면 해당 커패시터가 충전된 전하가 전류 소스(240)를 통해 방전된다.
다이오드(230)는 다수의 배터리 셀 각각에서 분기된 라인마다 연결되어 있다.
전원부(220)는 제어 회로(210)에 전원을 공급하고, 배터리 모듈의 최상위 배터리 셀에서 분기된 라인 및 다이오드(230)의 최상위 다이오드와 연결된다.
본 명세서의 일 실시 예에 따르면, 전류 소스(240)는 제1 내지 제5 전류 소스(CS1 내지 CS5)로 이루어질 수 있다. 전류 소스(240)는 배터리 셀 각각과 일단이 연결되고, 타단이 스위치를 통해 접지와 각각 연결된다.
측정부(270)는 전류 소스(240)의 일단과 연결된 라인의 전압을 측정한다.
라인의 전압을 측정하는 동작을 살펴보면, 측정부(270)는 전류 소스(240)를 기설정된 시간 동안 스위치를 통해 턴온 및 턴오프시킨다. 그리고 측정부(270)는 턴오프된 전류 소스(240)의 일단과 연결된 측정 라인의 전압을 이용하여 그 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압을 측정할 수 있다.
그리고 진단부(280)는 측정부(270)에서 측정된 라인의 전압을 기초로 하여 배터리 셀 각각과 연결된 라인의 단선을 진단한다.
단선을 진단하는 동작을 구체적으로 살펴보면, 진단부(280)는 측정부(270)에서 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압과 기설정된 전압 조건을 비교하여 턴오프된 전류 소스(240)와 연결된 해당 라인의 단선을 진단할 수 있다.
또한, 진단부(280)는 측정 라인의 하위 셀의 전압에서 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압(Forward voltage)을 감산한 전압을 측정 라인의 전압으로 산출할 수 있다.
또한, 진단부(280)는 기설정된 전압 조건에 따라 측정부(270)에서 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압이 각각 제로 스케일(Zero scale) 및 기설정된 풀 스케일(Full scale)이면, 측정 라인이 단선된 것으로 진단할 수 있다.
진단부(280)는 측정 라인의 하위 셀의 전압, 상위 셀의 전압 및 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압에 따라 기설정된 전압 조건을 변경할 수 있다.
진단부(280)는 측정부(270)에서 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압이 제로 스케일(Zero scale)이고, 그 측정된 측정 라인의 상위 셀의 전압이 측정 라인의 하위 셀의 전압, 상위 셀의 전압 및 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압을 가산한 전압이면, 측정 라인이 단선된 것으로 진단할 수 있다.
한편, 단선 진단 장치는 최하위 커패시터(C0) 및 기설정된 전압을 가지는 전원(260)과 일단이 연결된 최하위 전류 소스를 더 포함할 수 있다.
최하위 커패시터(C0)는 최하위 배터리 셀의 음극 단자와 연결된다.
최하위 전류 소스(AC)는 기설정된 전압(예컨대, 5V)을 가지는 전원과 일단이 연결되고, 최하위 배터리 셀과 스위치를 통해 타단이 연결된다.
진단부(280)는 측정 라인이 최하위 라인인 경우 측정부(270)에서 측정된 최하위 배터리 셀의 전압이 기설정된 전압이면, 최하위 라인이 단선된 것으로 진단할 수 있다.
도 3은 본 명세서의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템에서 단선 발생시 단선을 검출하는 회로를 설명하기 위한 참고도이다.
제3 배터리 셀의 양극 단자와 연결된 라인에서 단선이 발생한 경우에 단선을 진단하는 동작을 도 3을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
제3 및 제4 배터리 셀 사이의 X로 표시된 라인(301)에 단선이 발생한 경우에 단선을 검출하기 위해, 측정부(270)는 제3 전류 소스(CS3)를 턴온시키고 기설정된 시간 이후에 턴오프시킨다.
측정부(270)는 제3 배터리 셀의 전압(CV3)과 제4 배터리 셀의 전압(CV4)을 측정한다. 그리고 진단부(280)는 측정부(270)에서 측정된 제3 배터리 셀의 전압(CV3)과 제4 배터리 셀의 전압(CV4)을 기설정된 전압 조건과 비교하여 단선을 진단할 수 있다.
이때, 도 3의 X로 표시된 라인(301)에 단선이 발생한 경우에 단선된 라인의 하위 셀 즉, 제3 배터리 셀의 양극 및 음극 단자 간의 전압(CV3)은 0V로 항상 일정하게 나온다. 하지만, 단선된 라인의 상위 셀 즉, 제4 배터리 셀의 양극 및 음극 단자 간의 전압(CV4)은 제3 배터리 셀과 제4 배터리 셀의 전압(CV3 및 CV4)에 따라 다르게 측정될 수 있다.
따라서, 진단부(280)는 기설정된 전압 조건을 제3 배터리 셀과 제4 배터리 셀의 전압((CV3 및 CV4)과 다이오드의 순방향 전압을 고려하여 변경할 수 있다.
기설정된 전압 조건은 단선 판단 전압으로 이루어진다.
도 3의 X로 표시된 라인(301)에 단선이 발생한 경우에 기설정된 전압 조건은 하위 셀의 단선 판단 전압은 0V와, 상위 셀의 단선 판단 전압은 제3 배터리 셀의 전압(CV3), 제4 배터리 셀의 전압(CV4) 및 제2 다이오드의 순방향 전압을 가산한 전압이 된다. 이때, 제3 배터리 셀의 전압(CV3), 제4 배터리 셀의 전압(CV4)이 변경되어 기설정된 전압 조건의 값이 변경될 수 있다.
예를 들면, 제3 배터리 셀의 전압(CV3) 및 제4 배터리 셀의 전압(CV4)이 2V이고 다이오드의 순방향 전압이 0.7V이면, 단선 판단 전압은 4.7V가 될 수 있다.
도 3의 전류 흐름을 살펴보면, 제3 전류 소스(CS3)가 턴온이 됐을 경우 제2 다이오드(D2)를 통해 전류가 흐르게 된다. 이때, 제2 다이오드의 순방향 전압으로 인해 단선된 라인(301)의 전압은 제2 배터리 셀의 전압(CV2)에서 제2 다이오드의 순방향 전압을 감산한 전압이 될 수 있다. 따라서 진단부(280)는 상기와 같이 단선 판단 전압이 설정하게 된다.
따라서, X로 표시된 라인(301)이 단선 시, 제4 배터리 셀의 측정 전압(CV4)은 주변 셀의 전압에 따라 측정값이 바뀌게 될 수 있다. 만약, 특정 전압(예컨대, 5V)으로 설정 시, 진단부(280)는 X로 표시된 라인(301)이 단선되어도 단선이 되지 않은 것으로 진단할 수 있다. 따라서 진단부(280)는 단선 판단 시 기설정된 전압 조건을 인접한 배터리 셀의 전압과 다이오드의 순방향 전압을 고려하여 변경함으로써, 정확하게 단선을 진단할 수 있다.
도 4는 본 명세서의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 단선 진단 방법에 대한 흐름도이다.
배터리 관리 시스템에서 배터리 셀의 전원 라인에서 단선이 발생한다(S402).
측정부(270)는 첫 번째 전류 소스를 턴-온시킨다(S404). 일례로, 측정 순서를 살펴보면, 첫 번째 전류 소스는 도 3에서 최상위 제5 전류 소스(CS5)이거나 최하위 전류 소스(CS1)일 수 있다. 최상위 제5 전류 소스(CS5)부터 측정하는 것을 기준으로 설명하기로 한다.
기설정된 시간이 경과하면(S406), 측정부(270)는 턴-온된 전류 소스(240)를 턴-오프한다(S408).
측정부(270)는 상위 셀 및 하위 셀의 전압을 측정한다(S410). 여기서, 측정부(270)는 턴오프된 전류 소스(240)의 일단과 연결된 측정 라인의 전압을 이용하여 그 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압을 측정할 수 있다.
진단부(280)는 측정된 전압이 기설정된 전압 조건을 만족하는지를 확인한다(S412).
여기서, 기설정된 전압 조건은 단선 발생시에 측정되어야 하는 단선 판단 조건이다. 진단부(280)는 측정부(270)에서 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압과 기설정된 전압 조건을 비교하여 턴오프된 전류 소스(240)와 연결된 해당 라인의 단선을 진단할 수 있다. 또한, 진단부(280)는 측정 라인의 하위 셀의 전압에서 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압(Forward voltage)을 감산한 전압을 측정 라인의 전압으로 산출할 수 있다.
상기 확인 결과(S412), 측정된 전압이 기설정된 전압 조건을 만족하면, 진단부(280)는 측정 라인을 단선 라인으로 진단한다(S416). 여기서,
또한, 진단부(280)는 측정부(270)에서 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압이 제로 스케일(Zero scale)이고, 그 측정된 측정 라인의 상위 셀의 전압이 측정 라인의 하위 셀의 전압, 상위 셀의 전압 및 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압을 가산한 전압이면, 측정 라인이 단선된 것으로 진단할 수 있다.
다른 예로, 진단부(280)는 기설정된 전압 조건에 따라 측정부(270)에서 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압이 각각 제로 스케일(Zero scale) 및 기설정된 풀 스케일(Full scale)이면, 측정 라인이 단선된 것으로 진단할 수 있다. 진단부(280)는 측정 라인의 하위 셀의 전압, 상위 셀의 전압 및 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압에 따라 기설정된 전압 조건을 변경할 수 있다.
반면, 상기 확인 결과(S412), 측정된 전압이 기설정된 전압 조건을 만족하면, 진단부(280)는 측정 라인을 정상 라인으로 진단한다(S418).
이후, 진단부(280)는 전류 소스(240)를 모두 턴-온 및 턴-오프하였는지를 확인한다(S420). 즉, 진단부(280)는 측정 라인과 연결된 첫 번째 전류 소스부터 마지막 전류 소스까지 모두 스위칭하고 각 측정 라인을 모두 측정하였는지를 확인한다.
상기 확인 결과(S420), 전류 소스(240)를 모두 턴-온 및 턴-오프하지 않은 경우, 즉, 측정할 라인이 남아 있는 경우, 진단부(280)는 다음 번째의 전류 소스를 턴-온시킨다(S422). 이어서, 기설정된 시간이 경과한 후 다음 번째의 라인을 측정하는 S406 과정부터 다시 수행한다.
반면, 상기 확인 결과(S420), 전류 소스(240)를 모두 턴-온 및 턴-오프하고 각 측정 라인을 모두 측정한 경우, 진단부(280)는 라인 단선을 진단하는 과정을 종료한다.
본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서가 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 명세서의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 명세서의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 명세서의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 명세서의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 배터리 팩
30: 제어회로
200: 배터리 관리 시스템(BMS)
210: 제어 회로
220: 전원부
230: 다이오드
240: 전류 소스
250: 커패시터
260: 전원
270: 측정부
280: 진단부
CV1 내지 CV5: 제1 내지 제5 배터리 셀의 전압
C1 내지 C5: 제1 내지 제5 커패시터
D1 내지 D4: 제1 내지 제4 다이오드
CS1 내지 CS5: 제1 내지 제5 전류 소스

Claims (17)

  1. 배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치에 있어서,
    직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈의 상기 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링 및 제어하는 제어 회로;
    상기 배터리 셀 각각과 일단이 연결되고 타단이 접지와 연결되는 커패시터;
    상기 배터리 셀 각각에서 분기된 라인마다 연결되는 다이오드;
    상기 배터리 셀 각각과 일단이 연결되고 타단이 스위치를 통해 접지와 각각 연결되는 전류 소스;
    상기 전류 소스를 기설정된 시간 동안 상기 스위치를 통해 턴온 및 턴오프시키고, 상기 턴오프된 전류 소스의 일단과 연결된 측정 라인의 전압을 이용하여 상기 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압을 측정하는 측정부; 및
    상기 측정된 측정 라인의 전압을 기초로 하여 상기 배터리 셀 각각과 연결된 라인의 단선을 진단하는 진단부
    를 포함하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로에 전원을 공급하고, 상기 배터리 모듈의 최상위 배터리 셀에서 분기된 라인 및 상기 다이오드의 최상위 다이오드와 연결되는 전원부
    를 더 포함하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 진단부는
    상기 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압과 기설정된 전압 조건을 비교하여 상기 턴오프된 전류 소스와 연결된 해당 라인의 단선을 진단하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 진단부는
    상기 측정 라인의 하위 셀의 전압에서 상기 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압(Forward voltage)을 감산한 전압을 상기 측정 라인의 전압으로 산출하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 진단부는
    기설정된 전압 조건에 따라 상기 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압이 각각 제로 스케일(Zero scale) 및 기설정된 풀 스케일(Full scale)이면, 상기 측정 라인이 단선된 것으로 진단하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 진단부는
    상기 측정 라인의 하위 셀의 전압, 상위 셀의 전압 및 상기 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압에 따라 상기 기설정된 전압 조건을 변경하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 진단부는
    상기 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압이 제로 스케일(Zero scale)이고, 상기 측정된 측정 라인의 상위 셀의 전압이 상기 측정 라인의 하위 셀의 전압, 상위 셀의 전압 및 상기 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압을 가산한 전압이면, 상기 측정 라인이 단선된 것으로 진단하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    최하위 배터리 셀의 음극 단자와 연결된 최하위 커패시터; 및
    기설정된 전압을 가지는 전원과 일단이 연결되고, 상기 최하위 배터리 셀과 스위치를 통해 타단이 연결되는 최하위 전류 소스를 더 포함하고,
    상기 진단부는 상기 측정 라인이 최하위 라인인 경우 측정된 상기 최하위 배터리 셀의 전압이 상기 기설정된 전압이면, 상기 최하위 라인이 단선된 것으로 진단하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 장치.
  10. 복수의 배터리 셀을 포함한 배터리 모듈에서 상기 배터리 셀 각각과 일단이 연결된 커패시터와, 상기 배터리 셀 각각에서 분기된 라인마다 연결되는 다이오드를 포함하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 방법에 있어서,
    상기 배터리 셀 각각과 일단이 연결되고 타단이 스위치를 통해 접지와 각각 연결되는 전류 소스를 기설정된 시간 동안 스위치를 통해 턴온 및 턴오프시키는 단계;
    상기 턴오프된 전류 소스의 일단과 연결된 측정 라인의 전압을 이용하여 상기 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 측정 라인의 전압을 기초로 하여 상기 배터리 셀 각각과 연결된 라인의 단선을 진단하는 단계
    를 포함하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 단선을 진단하는 단계는
    상기 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압과 기설정된 전압 조건을 비교하여 상기 턴오프된 전류 소스와 연결된 해당 라인의 단선을 진단하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 단선을 진단하는 단계는
    상기 측정 라인의 하위 셀의 전압에서 상기 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압을 감산한 전압을 상기 측정 라인의 전압으로 산출하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 단선을 진단하는 단계는
    기설정된 전압 조건에 따라 상기 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압 및 상위 셀의 전압이 각각 제로 스케일 및 기설정된 풀 스케일이면, 상기 측정 라인이 단선된 것으로 진단하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 단선을 진단하는 단계는
    상기 측정 라인의 하위 셀의 전압, 상위 셀의 전압 및 상기 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압에 따라 상기 기설정된 전압 조건을 변경하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 단선을 진단하는 단계는
    상기 측정된 측정 라인의 하위 셀의 전압이 제로 스케일(Zero scale)이고, 상기 측정된 측정 라인의 상위 셀의 전압이 상기 측정 라인의 하위 셀의 전압, 상위 셀의 전압 및 상기 측정 라인의 하위 셀에서 분기된 다이오드의 순방향 전압을 가산한 전압이면, 상기 측정 라인이 단선된 것으로 진단하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템이 최하위 배터리 셀의 음극 단자와 연결된 최하위 커패시터; 및 기설정된 전압을 가지는 전원과 일단이 연결되고, 상기 최하위 배터리 셀과 스위치를 통해 타단이 연결되는 최하위 전류 소스를 더 포함하고,
    상기 단선을 진단하는 단계는 상기 측정 라인이 최하위 라인인 경우 측정된 상기 최하위 배터리 셀의 전압이 상기 기설정된 전압이면, 상기 최하위 라인이 단선된 것으로 진단하는 배터리 관리 시스템의 단선 진단 방법.

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